## Jenis Artikel: orginial research

## Analisis Pengaruh Viskositas pada Self-Siphon
Nurhayati 1,5 , Sparisoma Viridi 2, 4, 6 , dan Freddy Permana Zen 3, 4, 6
1 Program Studi Biologi, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam Negeri Ar-Raniry Banda Aceh;
2 Fisika Nuklir dan Biofisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam;
3 Fisika Teoretik Energi Tinggi dan Instrumentasi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam;
4 Indonesia Center for Theoretical and Mathematical Physics (ICTMP);
5 Program Studi Pendidikan Fisika, Fakultas Tarbiyah dan Keguruan UIN Ar-Raniry Banda Aceh;
6 Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha 10, Bandung 40132, Indonesia.
Corresponding e-mail : nurhayati.sururi@ar-raniry.ac.id
KATA  KUNCI:
Viskositas, self- siphon , hukum Newton, metode Euler, dinamika sistem
Diserahkan:  07 Desember 2017 Direvisi: 08 Desember 2017 Diterbitkan 17 Januari 2018 Terbitan daring: 17 Januari 2018

## Jurnal Phi
ABSTRAK. Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  pengaruh  nilai viskositas terhadap terjadinya aliran fluida pada self-siphon secara simulasi. Simulasi  dilakukan  dengan  mempertimbangkan  gaya-gaya  yang  bekerja pada single  fluid  volume  element (SFVE).  Persamaan  gerak  pada  masing- masing  segmen  diselesaikan  dengan  menerapkan  hukum  Newton. Persamaan-persamaan diselesaikan secara numerik dengan metode Euler. Parameter  fisika  yang divariasikan dalam simulasi adalah nilai viskositas fluida,  karena  viskositas  mempengaruhi  aliran  fluida  dalam  pipa. Berdasarkan penelitian, nilai viskositas fluida η berpengaruh pada dinamika sistem (yang digambarkan oleh kurva terjadinya aliran fluida) namun tidak signifikan pada diameter yang berbeda. Pada nilai viskositas η yang besar, diperlukan  panjang pipa yang tercelup dalam fluida ( L ) yang besar pula. Besarnya  panjang  pipa L akan  memperbesar  nilai  tekanan  hidrostatis sehingga terjadi aliran pada self-siphon .

## 1.  Pendahuluan
Self-siphon adalah  suatu  pipa  yang  dapat    mengalirkan  fluida  secara  aktif    yang  dapat  berbentuk ∩ dan (Viridi dkk.,  2014).  Pipa  self-siphon  bekerja  dengan  memanfaatkan  perbedaan  tekanan  dan  energi  potensial  gravitasi (A.  Richert  dan  P.  M.  Binder,  2011).  Beberapa  percobaan  telah  dilakukan  untuk  mengamati  terjadinya  aliran  air pada  self-siphon  yang  disertai  dengan  pemodelannya  (Masterika  dkk.,  2011),  simulasi  dengan  menggunakan dinamika  molekuler  (Viridi.  S  dkk.,  2011)  serta  eksperimen  dan  simulasi  dalam  memprediksi  terjadinya  aliran air  dalam  konfigurasi  self-siphon  tersegmentasi  (Viridi.  S  dkk.,  2011).  Penelitian  lain  diantaranya    adalah pemodelan  aliran  fluida  pada  segmen  1  (Nurhayati  dkk.,  2012),  model    dinamika    SFVE    dengan    pendekatan analitik  serta  konfirmasi    eksperimen    dan    numerik    untuk    konstruksi    ruang    kerja    parameternya    (Nurhayati dkk.,  2013),  simulasi  aliran  fluida  dan  ruang  kerjanya  (Nurhayati  dkk.,  2014),  serta  konsep-konsep  yang berpengaruh  pada  aliran  fluida  di  dalam  pipa self-siphon (Potter    dan    Barnes,    1971),    (Planinsic    dan    Slisko, 2010),  (Hughes,  2011),  (Nanayakkara,  2012)  dan  (Hughes,  2011).
Berbagai  parameter  yang  berpengaruh  dalam  aliran  fluida  pada  self-siphon  juga  telah  diteliti.  Diantaranya adalah  diameter  pipa self-siphon dan  perbandingan  panjang  pipa  yang  tercelup  dalam  reservoir  pada  segmen 1. Diameter  pipa self-siphon tidak  berpengaruh  secara    signifikan    terhadap    aliran    fluida    sedangkan perbandingan  panjang  pipa  yang  terletak  di  bawah  fluida    dalam    reservoir    (L)    dengan    panjang    pipa    yang terletak  di  atas  fluida  dalam  reservoir  (U)  lebih  berpengaruh  dalam  terjadinya  aliran  (Nurhayati,  2014). Perkembangan  terakhir  adalah  mengenai  aplikasi  self-siphon  yang    diterapkan    untuk    sumur    geotermal    dan desain  self-siphon  pada  proses  pemurnian  bioetanol  (Nurhayati,  2015).
Dalam  penelitian  ini,  akan  dipaparkan  mengenai  pengaruh  nilai   viskositas  dalam  aliran  fluida  secara simulasi pada self-siphon berbentuk ∩ .

## 2. Metode
Dinamika  aliran  fluida  pada siphon telah  dipelajari  pada  penelitian  sebelumnya  dengan  mempertimbangkan  gaya- gaya  yang  bekerja  pada  SFVE  (Nurhayati  dkk.,  2014).  Koordinat siphon dalam  sistem- s ditunjukkan  pada Gambar 1.
Gambar 1 . Sistem koordina t- s pa da  siphon (Nurha ya ti dkk., 2015).
dengan  s w ,  s 0 ,  s 1 ,  s 2 ,  s 3 ,  U,  dan  L    secara    berturut-turut    adalah    posisi    permukaan  fluida    dalam  kontainer,    posisi awal  segmen  I,  posisi  akhir  segmen  I/posisi  awal  segmen  II,    posisi    akhir    segmen    II/posisi    awal    segmen    III, posisi  akhir  segmen  III,  panjang  pipa  bagian  atas  dari  segmen  I,  dan  panjang  pipa  bagian  bawah  segmen  I (Nurhaya ti,  2015).
0 w 1
Selanjutnya  dengan  menggu nakan  hukum  II  Newton,  persamaan  gerak  dari  SFVE  pada  segmen  I didefinisika n  seperti  di  bawah  ini:
(1)
dimana
C = c  1 m C =  gA 0 m (2)
C = −  gA s m w + g = − C 0 s w + g
Pada  segmen  II  (segmen  lengkun g),  SFVE  mengalami  pergerakan  melingkar  sehingga
s −  c   s +   gA  ( s − s )  m   m  1 w     −   s − s 1    A   s − s 1  g  cos  R  −  m  R sin  R  = 0        (3)
dimana
C = − c  1 m C ' = −  g cos  s − s 1  − ( C  R ) sin  s − s 1 
0   R  0  R      
C ' = C ( s − s ) (4)
Pada  segmen  III,  SFVE  bergerak  lurus  vertikal  seperti  pada  segmen  I.
dimana
s = c  s +  gA s −  gA s − g m m m w
(5)
C = − c 
1 m C  gA 0 = − m C =  gA s m w + g = − C 0 s w + g (6)
Persamaan  gerak  pada  segmen  II  ialah    persamaan    diferensial    orde    dua    tak    linear    tak    homogen    yang sangat sulit untuk dipecahkan (Gitterman, 2010). Sehingga persamaannya diselesaikan  secara  numerik menggunakan  metode  Euler.
Persamaa n  gerak  untuk  setiap  segmen  didefinisikan  dengan
q = df dt
Solusi  numerik  dapat  didekati  menggunakan  persamaan
f ( t +  t ) = f ( t ) + q ( t )  t (7) (8)
Pada  segmen  I,  dimana  s 0 ≤ s ≤ s 1 ,  persama an  (1)  dapat  ditulis  dalam  bentuk  persama an  kecepatan  seperti:
s = − C 1 s − C 0 s − C
1 0 v ( t + dt ) = v ( t )( 1 − C 1 dt ) − ( C 0 s + C ) dt (9)
Pada   segmen   II,    dimana   s 1 ≤ s ≤ s 2 ,  persamaan  (3)  dapat  ditulis  dalam  bentuk  persamaa n  kecepatan seperti:
v ( t + dt ) = v ( t )( 1 + C  dt ) + ( C ' + C ' ) dt (10)
Pada   segmen   III,   dimana   s 2 ≤ s ≤ s 3 ,  persamaan  (5)  dapat  ditulis  dalam  bentuk  persamaan  kecepata n seperti:
v ( t + dt ) = v ( t )( 1 − C 1 dt ) + ( − C 0 s − C ) dt Persamaan  posisi disetiap segmen adalah  sama,  yang mana  dapat  ditulis sebagai
s ( t + dt ) = s ( t ) + v ( t ) dt Kondisi  awal  saat 𝑡 =  0 ,  posisi  awal  memenuhi 𝑆 (0)  = 𝑆 0 . (11) (12)
Selanjutnya,  parameter  fisika lain yang digunakan  dalam simulasi ditampilkan dalam Tabel 1. Penelitian  ini dilakukan  dengan  simulasi  menggunakan  bahasa  pemrogra man  Matlab  dengan  beberapa parameter  fisika  seperti  pada Tabel  1.
Tabel  1. Parameter  Fisika  yang  Digunakan  dalam  Simulasi Parameter Nilai Percepata n  gravitasi g (m/s 2 ) 9.78 Nilai ρ (kg/m 3 ) 10 3 Variasi  nilai  viskositas η (N.s/m 2 ) 10 -3 ,  2×10 -3 ,  4×10 -3 ,  dan  10 -2 Waktu t (s) 10 -7 SFVE  (m) 10 -4 s w (m) 0.5 Diameter  pipa  bagian  dalam d (mm) 4

## 3. Hasil  dan  Pembahasan
Viskositas η merupakan  parameter  yang  menarik  untuk  diteliti  karena  dinamika  fluida  bergantung  pula  pada parameter  tersebut.  Pada  penelitian  ini,  disimulasikan  untuk  diameter  4  mm  dan  6  mm,  dengan  nilai ρ tetap dan  nilai η yang  bervariasi  untuk  menganalisis  pengaruhnya  terhadap  dinamika  sistem  yang  direpresentasikan pada  Gambar  2  dan  3.  Pada  simulasi  ini  dicobakan  pada    batas  antara  aliran  yang  terjadi  pada  segmen  II  dan segmen  III.
16 14 12 10 8 6 4 2 2 4 6 8 10 12  14 16  18  20
s w -s 0 (cm) s -s (cm ) 1 w -3  1 = 10  2 =  2  1  3 =  4  1  4 = 10  1
Nurhayati, N, Viridi, S, dan Zen, F.P. 2018. Analisis Pengaruh Viskositas pada Self-Siphon 2018 (1)
s 1 -s w (cm ) Gambar  2. Grafik  terjadinya  aliran  pada  batas   segmen   II   and   III  untuk ρ 1000   kg/m 3 ,   diameter   dalam   pipa   4  mm, dan  variasi  nilai η yaitu  10 -3 N.  s/m 2 ( ),  2×10 -3 N.  s/m 2 (  ),  4×10 -3 N.  s/m 2 (    ),  dan  10 -2 N. s/m 2 (  ).
16 14 12 10 8 6 4 2 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 s  -s
w    0 (cm)
Gambar  3. Grafik    terjadinya    aliran    pada    batas    segmen    II    and    III    untuk ρ 1000    kg/m 3 ,    diameter    dalam    pipa    6 mm,  dan  variasi  nilai η yaitu  10 -3 N.  s/m 2 (   ),  2×10 -3 N.  s/m 2 (    ),  4×10 -3 N.  s/m 2 (    ),  dan  10 -2 N. s/m 2 ( ).
Terlihat  bahwa  untuk  dapat  mengalirkan  fluida  pada  batas  tinggi  yang  sama  s 1 -s w ( U ),  pada  nilai  viskositas yang  besar  memerlukan  panjang  pipa  yang  tercelup  di  dalam  reservoir  s w -s o ( L )  yang  lebih  besar  dari  pada  nilai viskositas  yang  rendah.  Hal  ini  dibuktikan  dengan  kemiringan  grafik  pada  sumbu x - y yang  semakin  miring.  s w - s o ( L )  bernilai  paling  besar  pada  nilai  viskositas  terbesar  yaitu  10 -2 dan  s w -s o ( L )  bernilai  paling  kecil  pada  nilai viskositas  terkecil  yaitu  10 -3 .  Nilai L yang  besar  pada  viskositas  yang    besar    akan    menghasilkan    tekanan hidrosta tis  yang  besar  sehingg a  self-siphon  mampu  mengalirkan  fluida.

## 4. Kesimpulan
Perbedaan  nilai  viskositas η dari  fluida  berpengaruh  pada  dinamika  sistem  (yang  digambarkan  oleh  kurva terjadinya  aliran  fluida)  namun  tidak  signifikan  pada  diameter  yang  berbeda.  Pada  nilai  viskositas  yang  besar, diperlukan  panjang  pipa  yang  tercelup  dalam  fluida  ( L )  yang  besar  pula.  Besarnya  panjang  pipa L akan memperbesar  nilai  tekanan  hidrostatis  sehingga  terjadi  aliran  pada  self-siphon.  Parameter  lain    seperti    rapat massa ρ perlu  diuji  untuk  mengetahui  pengaruhnya  terhadap  dinamika  sistem  pada  self-siphon.

## Ucapan  Terimakasih
Terimakasih  kepada  Laboratorium  Gelas  Institut  Teknologi  Bandung  yang  telah  membantu  dalam  proses pembuatan self-siphon .

## Keterlibatan  Penulis
Nurhayati  melakukan  percobaan  mengamati  pengaruh  nilai  viskositas  terhadap  terjadinya  aliran  fuida  pada self- siphon secara  simulasi.  Sparisoma  Viridi  merumuskan  gaya-gaya  yang  bekerja  pada single    fluid    volume  element (SFVE).  Freddy  Permana  Zen  merumuskan  persamaan  gerak  pada  masing-masing  segmen  dengan  menerapkan hukum  Newton.

## Daftar  Pustaka
A. Richert and P. – M. Binder. 2011. Phys. Teach . 49. 78-80.
Gitterman, M. 2010. The Chaotic Pendulum. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, 11. Hughes, S. W. 2010. A Practical Example of A Siphon at Work. Physics Education . 45: 162.
Hughes, S. W. 2011. The Secret Siphon. Physics Education . 46: 298.
-3  1 = 10  2 2  1 =  3 = 4  1
 4 = 10  1
Masterika, F.  2011. Eksperimen  Aliran  Fluida  Menggunakan  Self  Siphon .  Tesis  Magister  Institut  Teknologi  Bandung.
Bandung.
Masterika,  F.,  Novitrian,  dan  Viridi,  S.  2010.  Self-Siphon  Exsperiments  and  Its  Mathematical  Modelling  Using  Parametric Equation. Proceeding of the Third International Conference on Mathematics and Natural Sciences . p. 608.
Nanayakkara, N. W. K. T. R. dan Rosa, S. R.D. 2012. Revisiting the Physics behind Siphon Action. Proceedings of the Technical Sessions. 28: 106.
Nurhayati,  Anjar  Purba  Asmara,  dan    Sparisoma  Viridi.  2015.      Rancangan  Alat  Distilasi  dengan  Mengaplikasikan  Self  siphon pada  Pemurnian  Bioetanol  Menggunakan  Zeolit.  Simposium  Nasional  Inovasi    Pembelajaran    Sains  2015    (SNIPS    2015) (in  review).
Nurhayati,  S.  Viridi,  F.  P.  Zen,  F.  D.  E.  Latief,  Novitrian,  dan    W.    Hidayat.    2014.    Pengaruh    Diameter    Pipa    dan    Perbandingan Panjang  Pipa  yang  Tercelup  di  Dalam  Fluida  Pada  Sifon  Menggunakan  Single  Fluid  Volume  Element  (SFVE), Prosiding Seminar  Nasional  Pendidikan  Kimia  dan  Sains  Program  Studi  Pendidikan  Kimia  FKIP  Unsyiah  2014 .  Vol.1.  143-152. Nurhayati,  W.  Hidayat,  Novitrian,  F.  D.  E.  Latief,  S.  Viridi,  and  F.  P.  Zen.  2013.  Model  Dinamika  Elemen  Volume  Air  pada  Self- Siphon  dengan  Pendekatan  Analitik  serta  Konfirmasi  Eksperimen  dan  Numerik  untuk  Konstruksi  Ruang  Kerja Parameternya.  Prosiding  Simposium  Nasional  Inovasi  Pembelajaran  Sains  2013.  edited  by  A.  Purqon  et  al.  Bandung. Indonesia.  3-4 July  2013.  pp. 180-183.
Nurhayati,  W.  Hidayat,  Novitrian,  S.  Viridi,  and  F.  P.  Zen.  2014.  Simulation  of  Fluid  Flow  in  a  U -Shape  Self-Siphon  and  its Working Space. The 4th International Conference on Mathematics and Natural Sciences -2012, edited by M. Djamal et al. AIP Conference Proceedings 1589 American Institute of Physics. Melville. NY. pp. 95-98.
Nurhayati,  W.  Hidayat,  S.  Viridi,  and  F.  P.  Zen.  2012.  Pemodelan  Aliran  Fluida  dalam  Pipa  Lurus  Vertical  Bagian  dari  Sifon Menggunakan  Dinamika  Newton.  Prosiding  Simposium  Nasional  Inovasi  Pembelajaran    Sains    2012.    edited    by    F.    D.    E. Latief  et al. Bandung.  Indonesia.  7-8  June 2012.  pp. 65-69.
Planinsic, G. dan Slisko,  J. 2010. The Pulley Analogy Does Not Work for Every Siphon. Physics Education . 45: 356. Potter, A. dan Barnes, F. H. 1971. The Siphon. Physics Education . 6: 362.
Viridi, S, Novitrian, Nurhayati, W. Hidayat, F. D. E. Latief, and F. P. Zen. 2014. Development Of Single Fluid Volume Element Method For Simulation Of Transient Fluid Flow In Self -Siphons. AIP Conference Proceedings 1615 American Institute of Physics . pp. 199-207.
Viridi,  S.,  Suprijadi.,  Khotimah,  S.  N.,  Novitrian,  dan  Masterika,  F.  2011.  Self -Siphon  Simulation  Using  Molecular  Dynamics Method. Recent Development in Computer Science. 2: 9.
Viridi,  S., Novitrian, Masterika, F., Hidayat W., dan Zen, F. P. 2011. Segmented Self Siphon: Experiments and Simulations. In The 5th International Conference on Research and Education in Mathematics, Edited By E. T. Baskoro et. al. AIP Conference Proceedings . 1450: 190.